Beágyazott információs rendszerek:

2019. szeptember 11.

Bevezetés, ráhangolódás

Smart Anything Everywhere

Sok név – Hasonló jelentés

2

Internet of Things

Internet of Everything

SmarterPlanet

Machine toMachine(M2M)

The Fog

Tsensors(TrillionSensors)

The IndustrialInternet

Industry 4.0

Kiberfizikai rendszerek

Hálózatba kapcsolt beágyazott rendszerek

3

Cyber-Physical Systems – a Concept Map http://CyberPhysicalSystems.org

Cyber-PhysicalSystems

ControlSystems

Networked and-or DistributedHumans in the LoopAdaptive and Predictive

Intelligent

Resilience

Real Time

CyberSecurity

Intrusion Detection

Privacy

Malicious Attacks

Improved Design Tools

Design Methodology

Communication

Consumer

Energy

Infrastructure

Health Care

Manufacturing

Military

Robotics

Transportation

Specification, Modeling,

and Analysis

Scalability and Complexity

Management

Validationand

Verification

Assurance

Certification Simulation

Stochastic Models

WirelessSensing and Actuation

Hybrid and Heterogeneous

Models

Models of Computation

Continuousand Discrete

Time Synchronization

Interoperability

Networking

Interfacing with Legacy Systems

Synthesis

Modularity and Composability

ARE

POSSIBLY WITH

THAT ARE

POSSIBLY WITH

REQUIRETHAT ENABLE

THAT SUPPORT

OF

THROUGH

HAVE APPLICATION IN

4

Edward Ashford Lee, Sanjit Arunkumar SeshiaDepartment of Electrical Engineering and Computer Sciences (EECS) at UC Berkeley.

Introduction to Embedded SystemsA Cyber-Physical Systems Approach

Second Edition, LeeSeshia.org, 2017.

I Modeling Dynamic Behaviors II Design of Embedded Systems III Analysis and Verification

Befogadó környezetek – befogadott eszközökKIVÁLTOTT VÁLASZ – A kiváltott válaszok a központi idegrendszer külső ingerlésre létrejövő válaszai. Ezekből információt kaphatunk az idegpályák állapotáról valamint az adott ingerek központi idegrendszeri feldolgozásáról.

PACEMAKEREK

Kezelt betegségek:Parkinson-korAnorexiaEpilepsziaMigrénDepresszióAltzheimer-kor

Kezelt betegségek:FibrillációAritmia

Terápiás cél:Jóllakottság érzet előidézése,hányinger, hányás elkerülése

Kezdetek: Kőbányai Gyógyszerárugyár , ma RGFarmakológiai Kutatólaboratórium ~1978Cavinton … 5

Befogadott-beágyazott eszközök

Hagyományos pacemaker2009 óta akár Internet kapcsolattalBeépítés: 45’

Vezetéknélküli pacemakerBeépítés katéteren keresztül: 7’

6

Beágyazott rendszer funkciók

Beágyazott rendszer ~ Központi idegrendszer:

→ megfigyel → analizál → dönt → cselekszik

A német gépjármű, automatizálási és orvosi ipar évente ~15 milliárd € -ot invesztál beágyazott rendszerek

kutatás-fejlesztésére, miközben éves forgalmukmeghaladja az 500 milliárd € -ot.

Intenzív információs kapcsolat

Autonóm működésSzolgáltatásbiztonság

„Láthatatlanság”

Embedded SystemPervasive Computing

Ubiquitous ComputingAmbient intelligence

Tulajdonságai: Alternatív elnevezések:

7

Egy lehetséges definíció:

A befogadó fizikai/kémiai/biológiai környezetükkelintenzív, valós idejű információs kapcsolatban álló,

• emberi beavatkozás nélkül működő,• nagyon biztonságos,• sokszor “láthatatlan”

számítógépes rendszerek, melyek

• egy-egy eleme (általában) erősen korlátozott képességű,• rendszert alkotva azonban (általában) bőséges erőforrásokkal

(memória, sávszélesség, ...) rendelkeznek.

A Research Agenda for Networked Systems

of Embedded ComputersNational Academy of Sciences

(2001)

BMW 745i: 53 db 8-bites, 11 db 32-bites, 7 db 16-bites processzor, 2 000 000 sor kód, Windows CE OS, többszörös hálózat.

Fly-by-wire Drive-by-wire

A processzorok 2%-a IT és PC felhasználású, 98% beágyazott alkalmazás: jármű, háztartási gép, mobil telefon, stb. 8

A főszereplő: a beágyazott szoftver„Szabványos” hardver és szoftver építőelemek (COTS) alkalmazása mellett, az egyedi

képességeket a beágyazott/alkalmazói szoftver valósítja meg. A valós rendszerek alkotóelemei egyre inkább „számítástechnikai” kölcsönhatások révén működnek együtt. (Prémium kategóriás autók: több ezer jelvezeték, 70 – 100+ elektronikus

vezérlőegység)

Következmények:• A szoftver egyrészt abszorbeálja a környezetét, másrészt az adott alkalmazás

részévé válik.• A szoftverek a funkcionális és fizikai követelményeknek is eleget tesznek.

A beágyazott szoftver: univerzális rendszerépítő eszköz

„... Software is Hard and Hardware is Soft ...”Jó hír: szoftverrel megvalósítva sok minden lehetséges …

Rossz hír: szoftverrel megvalósítva sok minden lehetséges … 9

Kihívások, tanulságok:

1993. augusztus 8-ánlezuhant egy fly-by-wireharci-gép, mert túl lassan

reagált a pilóta utasítására.

1985 és 1987 között a Therac-25 számítógép-vezérelt sugárterápiás

készülék súlyosan (~100-szoros dózis) túlterhelt hat pácienst.

1996. június 4. Felrobbant egy Ariane 5. Szoftver hiba:

64 bites lebegőpontos -> 16 bites fixpontos ábrázolás …

1993. szeptember 14. Varsó . Oldalszél , majd

hirtelen hátszél + logikai hiba: túlfutás -> 2 halott,

54 sebesült …

1991. február 25. Dahran: Egy Patriot rakéta elvétett egy scud rakétát. 28 halott, 97

sebesült. Szoftver hiba, amit február 16-án kijavítottak …

1996. december 4. Mars Pathfinder

misszió. Prioritás inverzió …

1990-2000 között 500 000 pacemakert hívtak vissza!

~75K Toyota Hybrid-et hívtak vissza: “could enter a "fail-

safe“ mode that shuts down the engine, allowing only

limited operation using the electric motor. The problem, caused by a software error in

the Electronic Control Module (ECM) system,

triggers up to five warning lights while shutting down

the engine.”Az USA-ban 1.5M Honda Accord, CR-V és Element gépkocsit hívtak vissza:

“to update the software that controls their

automatic transmissions”~8K Volvo S60-at hívtak vissza: to fix “ software for fuel pump units, as the

software was not compatible with all fuel pumps and components. 10

A beágyazott eszközök együttműködése:rendszerek rendszerei

A kábelezés a gépkocsi 3. legdrágább alkatrésze a motor és akarosszéria után. A kábelezés a gépkocsi legnehezebb alkatrészea karosszéria és a motor után:

átlagos súlya 100 kg, hossza ~5km.

A kábelkorbács előállítási árának fele bérköltség.

Légzsákrendszer

Ütközés előttibiztonságirendszer

Sokféle járműipari hálózat:CAN, LIN, Flexray, MOST, TTCAN, TT-Ethernet, … 11

A beágyazott eszközök és az internet

A tárgyak internete: a fizikai világ internet felhasználásával megvalósuló digitális-virtuális leképezése annak jobb megismerhetősége, követhetősége, valamint és befolyásolhatósága érdekében. Mindez beágyazott számítógépek és hálózataik fizikai folyamatokkal történő integrációját jelenti. Ez együtt jár olyan visszacsatolásokkal, amelyek révén fizikai folyamatok számításokat befolyásolnak, ill. megfordítva: számítások pedig fizikai rendszereket.

Az amerikai US Food and Drug Administration nemrégibenfigyelmeztetést adott ki, hogy több mint 300 orvosi eszköztkiber támadások szempontjából kockázatosnak ítélt: köztük inzulin pumpákat, pacemakereket, infúziós pumpákat, érzéstelenítő berendezéseket.

IEEE 802.3 alapú Avionic Full-Duplex Switched Internet: Az Airbus A380, A400M és a Boing 787 Dreamliner már ezt használja!IEEE 802.3bp szabvány bejelentés 2015-re: gépkocsikban 1 Gbit/s-os Internet egyetlen csavart érpáron! A piacon 2019-től!Az Internet embereket, adatokat, folyamatokat és tárgyakat köt össze. A tárgyak autonóm adatszolgáltató képessége erősödik!

Rendszerek rendszerei → Komplexitás → Biztonság? 12

Intelligens kőzetcsavar monitorozás

13

CPS rendszerek modellezési kérdései

Példa: Készítsünk programozható feszültségosztó áramkört-berendezést!

U(t)

r

R

𝑈0(t)

𝑈 𝑡 = 𝑈0 𝑡𝑅

𝑟 + 𝑅𝑈 𝑡 = 𝑖 𝑡 𝑅 𝑖 𝑡 =

𝑈0(𝑡)

𝑟 + 𝑅

R legyen változtatható! Tegyük R helyébe az alábbi áramkört!

𝑖(𝑡)

A/D D/Ar

𝑅

𝑟

𝑈 𝑡 = 𝑖 𝑡 𝑅

µP, DSP, “felhő”, …

?

𝑈 𝑡 = 𝑅𝑖 𝑡 − ∆𝑡

Következmény:

𝑖(𝑡 = 0) =𝑈0𝑟

𝑈(𝑡 = 0) = 0

𝑖 𝑡 = ∆𝑡 = 𝑈0 − 𝑅𝑈0𝑟

1

𝑟= 1 −

𝑅

𝑟

𝑈0𝑟

𝑈 𝑡 = ∆𝑡 = 𝑅𝑈0𝑟

𝑖(𝑡 = 2∆𝑡) = 𝑈0 − 𝑅 1 −𝑅

𝑟

𝑈0𝑟

1

𝑟= 1 −

𝑅

𝑟+

𝑅

𝑟

2 𝑈0𝑟

𝑈(𝑡 = 2∆𝑡) = 𝑅 1 −𝑅

𝑟

𝑈0𝑟

10U

CPS rendszerek modellezési kérdései

𝑖(𝑡 = 𝑛∆𝑡) = 1 −𝑅

𝑟+

𝑅

𝑟

2

∓⋯±𝑅

𝑟

𝑛 𝑈0𝑟→

𝑈0𝑟 + 𝑅

𝑈(𝑡 = 𝑛∆𝑡) = 𝑅 1 −𝑅

𝑟+

𝑅

𝑟

2

∓⋯∓𝑅

𝑟

𝑛−1 𝑈0𝑟→ 𝑈0

𝑅

𝑟 + 𝑅 Ha 𝑅

𝑟< 1

15

Beágyazott rendszerek (Embedded Systems)- rendszerek beágyazott szoftverrel …

Hálózatba kapcsolt beágyazott rendszerek (Networked Embedded Systems)- kommunikáló beágyazott rendszerek …

Rendszerek rendszerei (Systems of Systems)- kommunikáló és kooperáló rendszerek …

Tárgyak és Szolgáltatások Internete (Internet of Things and Services)- tárgyak és szolgáltatások kommunikációja és kooperációja …

Kiber-fizikai rendszerek (Cyber-Physical Systems)- beágyazott rendszerek és a globális hálózatok integrációja

a felhasználó (emberiség) „beágyazása” érdekében!

A jövő beágyazott rendszerei: trendek és szóhasználatok

Cél az új minőség: mindenki életvitelében, az egészségügyi ellátásában, az élelmiszer termelésben és

ellátásban, az idősekről és az elesettekről történő gondoskodásban, és mindezek érdekében

az energiagazdálkodásban, a közlekedésben, a környezetvédelemben, a katasztrófák elleni védelemben, az élet- és vagyonvédelemben, … 16

17

Európai kezdeményezések:

Kiemelt alkalmazási területek:- Hatékony és biztonságos mobilitás (szárazföldi és légi, …)- Jólét és egészség (otthoni-kórházi ápolás, …)- Fenntartható termelés (élelmiszer, energia, bányászat, …)- Intelligens közösségek (intelligens és biztonságos városok, terek, …)

FP5, FP6, FP7 programok, Eureka ITEA, ARTEMIS: Advanced Research& Technology for Embedded Intelligent Systems, Horizon 2020 előkészítés,CHIST-ERA, Alliance for Internet of Things Innovation (AIOTI), Industry 4.0, ...

A kihívások és lehetőségek címszavai: biztonságkritikus rendszerek, virtuális világ, nagymennyiségű adat, rendszerek rendszerei, felfő szolgáltatások, autonóm, adaptív és prediktív szabályozás, tárgyak internete, számítások sokmagú processzorral.

+ Horizon 2020: Leadership in enabling and industrial technologiesSmart Cyber-Physical Systems ICT-01-2014, ICT1.1-2016

Smart System Integration ICT-02-2014, ICT1.3-2016Smart Anything Everywhere Initiative ICT1.4-2016

IoT and Platforms for Connected Smart Objects ICT-30-2015R&I on IoT integration and platforms ICT7.3 – 2016Smart Anything Everywhere Initiative ICT-04-2017

Kihívások, feladatok, további megalapozó kutatások

Az adat- és jelfeldolgozás területén:

A valós idejű adat minősége és a kapcsolódó feldolgozás lehetőségei- Adat pontosság/érvényesség/elévülés, adatvesztés- Nem egyenletes mintavételezés, órák és adatok szinkronizációja- Kvantálási hibák időben és amplitúdóban- Modellillesztés, modell-alapú és adaptív jelfeldolgozás

a rendszer- és irányításelmélet területén:

A többszintű és elosztott rendszerek irányítása- Hálózatba kapcsolt rendszerek stabilitása, passzivitás

alapú rendszerek- Adaptivitás és kooperativitás: átkapcsolás és

újrakonfigurálás, tranziens menedzsment- Hibrid rendszerek, hibrid szimuláció: hardver-a-hurokban- Robusztusság, szolgáltatásbiztonság, hibatűrés

a szoftver rendszertechnika területén:

- Modell-alapú rendszertervezés- Beágyazott virtualizáció, beágyazott rendszerek felhőben

18

+ a fejlesztési technológiákhoz, rendszer és hálózati szoftverekhez, a verifikációs, validációs és tanúsítási eszközökhöz kötődő szerteágazó K+F+I